Hao Yu^a, Shaoyang Tan^a, Huadong Pan^a,b, Shujuan Sun^a, Pengyuan Lin^a, Huan Hu^a, and Jun Wang^a,b

^aSuzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou 215163, P.R. China

^bSichuan University, Chengdu 610065, P.R.China

俞浩^a，谭少阳^a，潘华东^a,b，孙舒娟^a，林朋远^a，胡欢^a，王俊^a,b

^a开云电子游戏官网，苏州

^b四川大学，成都

Hao Yu, Shaoyang Tan, Huadong Pan, Shujuan Sun, Pengyuan Lin, Huan Hu, Jun Wang, "High-brightness fiber-coupled diode module using dense wavelength beam combining technology based on single emitter for material processing and fiber amplifier pumping," Proc. SPIE 11983, High-Power Diode Laser Technology XX, 119830A (4 March 2022); doi: 10.1117/12.2608686

摘要

光纤耦合模块具有高效率和高可靠性的优点，被广泛应用于材料加工和光纤激光器泵浦。常规光纤耦合模块基于空间合束和偏振合束，亮度无法满足许多应用的需求，例如金属材料切割需要光功率超过1kW、光束质量优于几个mm*mrad。密集光谱合束技术能够在保持输出光束质量的同时大幅增加输出功率，使得光纤耦合模块的高亮度应用成为可能。通过在密集光谱合束技术中使用半导体激光二极管单管芯片代替半导体激光二极管巴条芯片，光纤耦合模块的效率、可靠性和亮度能够得到提升。我们为材料加工和光纤放大器泵浦应用开发了2种基于单管芯片密集光谱合束技术的高亮度100μm/0.22 NA 2kW光纤耦合模块。这2种高亮度模块分别具有953-991nm的光谱、50%的电光转换效率和更窄的光谱、48%的电光转换效率。我们还通过光纤合束的方式将15台100μm/0.22 NA 1.4kW高亮度模块进行合束，成功实现600μm/0.22 NA光纤超22kW输出。

1.背景介绍

直接半导体（Direct Diode Laser，DDL）激光器具有非常多的优点，例如高效率、高可靠性、高紧凑性和轻量化，被广泛应用于材料加工领域。传统的DDL激光器采用空间合束、偏振合束和宽波长合束等手段来提升输出功率。虽然功率得到了提升，但是在亮度方面的提升十分有限，不足以应用于厚金属切割，更不可能应用于对亮度要求超过160MW/cm²-sr的拉曼光纤放大泵浦[1]。密集光谱合束（Dense Wavelength Beam Combining，DWBC）和相干合束（Coherent Beam Combining，CBC）都可用于大幅提升DDL激光器的输出亮度。但是高功率半导体激光器CBC的复杂性和难度限制了最大输出功率，目前最大输出功率低于50W[2-3]。而DWBC以牺牲光谱宽度为代价，无需对激光相位进行控制，降低了整个系统的复杂性和难度。

半导体激光巴条芯片由于其集成度高，能够实现光学器件高效组装，是DWBC中最常见的光源。但是巴条芯片的“smile”效应和低偏振度降低了高亮度DDL激光器的输出亮度和电光效率。除此之外，巴条芯片的紧凑性不可避免地带来了巴条芯片上各发光点间的热串扰，进而限制了输出功率和输出亮度的提升。为了获得更高的亮度、更高的可靠性和更高的电光转化效率，开云官网登录开发了一种基于半导体激光单管芯片的DWBC技术。虽然单管芯片的光学器件组装时间高于巴条芯片，因为每一个单管芯片都需要单独进行光学整形，但是单独的光学整形反而提供了5个自由度用于修正光束之间的位置和指向性，进一步提升了高亮度DDL激光器的性能。

开云官网登录以模块化设计为核心，开发基于单管芯片DWBC技术的1.5kW空间输出引擎，再将这些引擎进行组合，实现高功率光纤耦合输出。由1.5kW空间输出引擎组成的高功率高亮度光纤耦合模块不但简化了装配难度，得益于模块化设计，还大大提升了产品的可维护性。

2. 1.5kW空间输出引擎

1.5kW引擎采用开云官网登录自主研制的9xx nm系列 120μm发光区宽度单管芯片作为光源，这些单管芯片都封装在氮化铝陶瓷热沉上以获得良好的散热效果。之前开发的350W/50μm[5]和600W/100μm[6]光纤耦合模块使用去除输出光纤的常规M12模块作为封装好的单管芯片载体。在1.5kW空间输出引擎中，开发了一款全新的M12F模块作为封装好的单管芯片载体，以降低系统的尺寸和体积。这款全新的M12F模块已经应用于激光无线能量传输系统中[7]。M12F模块中的快轴准直透镜（Fast Axis Collimator，FAC）、慢轴准直透镜（Slow Axis Collimator，SAC）和45°反射镜的组装都基于开云官网登录自主研制的主动对位（Active Alignment，AA）制程自动化设备，M12F模块的近场（Near Field，NF）和远场（Far Field，FF）优化全部实现自动化。

理论上来说，芯片的自由运转中心波长应该尽可能地靠近设计的锁定中心波长，以实现高效率和高边模抑制比。通过设计特殊的外延结构和优化芯片前腔面镀膜，新型9xx nm系列 120μm发光区宽度单管芯片波长锁定范围在14A工作电流、25℃工作温度条件下超过20nm，如图 1所示。在不同锁定中心波长时，模块仍然输出相同功率。值得一提的是，所有用于DWBC的单管芯片都来自于开云官网登录的6英寸芯片产线。

图 1. 中心波长为969nm的M12F模块波长锁定结果。

1.5kW引擎的示意图如图 2所示，引擎由16个M12F模块组成，模块的设计锁定波长从953至991nm。16个模块的光束在快轴和慢轴方向通过焦距为750mm和1000mm的柱透镜进行再准直。为了在接近40nm的带宽内容纳尽可能多的通道，即尽可能提升激光器输出亮度，一个1851线/mm的透射光栅被用作合束器件。从3%至15%不同反射率的腔镜被用于评估波长锁定效果，最后得出的结论是3%的反馈能够实现从阈值电流至工作电流完全波长锁定。因此，最终选择仅有单面镀膜的腔镜以提供3%左右的Fresnel反射。在光栅和腔镜之间有一个滤波系统，确保芯片之间无串扰。同时以防万一，滤除未被波长锁定的光束。最后所有光束通过一个放置在腔镜之后的3倍放大伽利略式望远系统，以平衡快慢轴发散角。

图 2. 1.5kW空间输出引擎示意图。

  图 3展示了基于单管DWBC技术的1.5kW引擎输出功率、电光转化效率（Power Conversion Efficiency，PCE）和光谱。引擎在9A时峰值PCE达到52.1%，在14A时最高输出功率达到2.1kW。在这台引擎中有5个芯片发生失效，若扣除失效芯片，最大PCE将超过53%。与此同时，在引擎中使用的光学器件镀膜并未专门针对953至991nm进行优化，在这一波段范围内镀膜透过率/反射率约为99.5%，镀膜导致了百分之几的额外功率损耗。设计的第一个和最后一个M12F模块锁定中心波长分别为953.4nm和991.2nm，实际测得第一个和最后一个M12F模块锁定中心波长分别为953.7nm和991.5nm。通过设计和实验对比，可以看出理论设计的正确性，与此同时，证明在整个制造过程中光学装配达到了极高的精度。

图 3. 左图：1.5kW引擎LI和PCE曲线。右图：1.5kW引擎14A工作电流输出光谱。

3. 2kW光纤耦合模块

1.5kW引擎输出为偏振度超过20dB的s偏振，因此可以以及其微小的功率损耗代价，通过偏振合束的方式，进一步提升输出亮度。2kW光纤耦合模块由2台1.5kW引擎组成。一台引擎之前加入了一块半波片将s偏振光转换为p偏振，再通过一个偏振合束器将两束不同偏振态的激光在NF和FF方向上叠加。图 4展示了用于材料加工的光纤耦合模块输出结果，在8A工作电流下输出功率超过2.1kW、PCE超过50.5%。在引擎单独开机测试中，每一台引擎都能通过100μm/0.22 NA QBH光纤输出超过1.8kW功率。然而2台引擎同时加电测试时在电流增加到9A后，光纤输出端光纤和端帽熔接点烧毁，因此未进行更高工作电流测试。2 台引擎中心波长偏差为0.5nm，因此在光谱图中可以看到尖峰数目超过16个。

图 4. 左图：2kW/100μm光纤耦合模块LI和PCE曲线。 右图：8A工作电流输出光谱。

而在光纤放大器泵浦应用中，通过精密装调，可以看出2台引擎光谱完全重合，如图 5所示。为了压缩光谱宽度，12台M12F模块被从2kW/100μm光纤耦合模块中移除。模块在13A工作电流下输出功率超过2kW、PCE为48.2%，如图 6所示。值得注意的是，这个测试结果为裸纤输出，输出端未进行任何镀膜处理。另外整台模块还进行了寿命测试，在25℃水冷、70%湿度条件下，400小时功率衰减小于2%。

图 5. 用于光纤放大器泵浦应用的2kW/100μm光纤耦合模块13A电流输出光谱。

图 6. 左图：用于光纤放大器泵浦应用的2kW/100μm光纤耦合模块LI和PCE曲线。右图：满功率400小时测试结果。

光纤合束器常被用于实现输出功率提升，并且可用于实现无需光学装调的全光纤DDL系统。光纤合束器输入光纤的光束质量和包层光中的光都需要控制，因为两者共同影响合束器的效率[8]。对于使用空间合束和偏振合束技术的常规单管光纤耦合模块[9]来说，单管芯片的FF对光纤输出的光束质量起决定性作用。然而对于2kW模块，刚好和常规光纤耦合模块相反，单管芯片的NF对光纤输出的光束质量起决定性作用，并且单管芯片的NF宽度在高电流下开始收缩[10]，因此在高电流下光纤输出光束质量反而会更好。在2kW/100μm光纤耦合模块光学设计中，超过0.17 NA的光都被孔径光阑所切割，因此理论上100%的光都在0.17 NA内。100μm/0.17 NA光纤输出超过2.1kW，其输出亮度超过300MW/cm²-sr。这一亮度已经使得DDL可用于厚金属切割和光纤放大器泵浦应用。除此之外，2kW光纤耦合模块还使用包层光剥除器（Cladding Power Stripper，CPS）进行了包层光测试。通过在100μm/0.22 NA传能光纤中部熔接一个CPS，观察CPS的温度变化。可以看到在在2kW功率输入、无水冷的条件下CPS的温度仅为40.5℃，如图 7所示。

图 7. 2kW输入、无水冷条件下100μm/0.22 NA光纤CPS稳定后温度。

4. 21kW DDL

整个项目最终目标是通过600μm/0.22 NA QD接口光纤输出21kW功率。2种设计思想迥异的光学设计都可以达成这一目标，分别是空间合束设计和光纤合束设计，两者具有各自的优缺点。空间合束设计可以输出更高的亮度，但是整个DDL系统的设计和组装难度大大提升。与其相比，光纤合束设计能够大幅提升整个系统的可靠性，但是随之而来的是20%光束质量恶化。举个例子，1.5kW空间输出引擎的光束质量为7mm*mrad，通过光束模型[11]可知，600μm/0.22 NA光纤最大能够允许29台引擎进行光纤耦合。通过100μm/0.22 NA光纤合成为600μm/0.22 NA光纤输出的方式，最大引擎数目仅为19台。然而15台通过100μm/0.22 NA光纤耦合的1.5kW引擎足够提供21kW输出。因此，项目最终选择光纤合束方案。部分1.5kW引擎的短波和长波M12F模块被移除，15台1.5kW光纤耦合模块在12A时输出平均功率为1.4kW。图 8展示了21kW光纤输出DDL激光器结构，15台光纤耦合模块通过1个19X1合束器实现600μm/0.22 NA光纤输出。

图 8. 21kW光纤输出DDL激光器结构示意图。

图 9和图 10展示了21kW光纤输出DDL激光器的输出功率和输出光谱。21kW激光器在13A电流时输出超过22.9kW。当电流超过10A后出现了热翻转，这是由于水冷不足造成的。非常明显，15台激光器的光谱完全重合，因此光谱图中尖峰的数目正好为16。合束器造成的每一台激光器功率损失也进行了分析。激光器从600μm/0.22 NA光纤输出的功率与100μm/0.22 NA裸纤输出功率相比，变化为-60W至+30W，变化率为-4%至2%。通过分析可知，合束器不同输入端口的合束效率和输出端的增透膜共同导致了功率的增加和降低。

图 9. 左图：21kW光纤输出DDL激光器LI曲线。右图：13A输出光谱。

图 10. 左图：21kW光纤输出DDL激光器样机。右图：13A输出功率。

5. 总结和展望

基于半导体激光单管芯片的DWBC技术展现了其在亮度提升的同时，带来的高电光转化效率和高可靠性的优点。开云官网登录通过优化外延结构和对芯片出光腔面进行处理，单管芯片在高工作电流下波长锁定范围超过20nm。将这一技术应用于1.5kW空间输出引擎，实现了52.1%的PCE和2.1kW输出。基于1.5kW引擎开发了2种用于不同领域的2kW光纤耦合模块，PCE和亮度分别超过50.5%和300MW/cm²-sr。如果能够解决100μm/0.22 NA QBH光纤输出端损伤的问题，2kW光纤耦合模块的输出功率将超过3.6kW、输出亮度达到500MW/cm²-sr。最终将15台平均功率为1.4kW的光纤耦合模块通过一个19X1的合束器合成输出，实现600μm/0.22 NA QD光纤输出接近23kW。如果将2kW光纤耦合模块接入19X1合束器，预计600μm/0.22 NA光纤输出将超过60kW、PCE达到50%。可以预见，将基于半导体激光单管芯片的DWBC技术应用在其他波段，能够大幅提升相关波段的DDL激光器输出亮度和降低相应的成本。

致谢

本项研究受到科技部重点研发资助（项目号2018YFB1107300）。

参考文献

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